Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Das erste Gesetz der Thermodynamik wurde von Julius Robert von Mayer 1841 angekündigt. Es ist das Prinzip der Erhaltung der Energie.

Definition des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik: Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört, es bleibt konstant. Energie wandelt sich nur von einem Typ in einen anderen um. Wenn eine Energieklasse verschwindet, muss eine äquivalente Menge einer anderen Klasse produziert werden.

Ein Körper kann eine gewisse Geschwindigkeit mit der kinetischen Energie haben. Wenn sie an Geschwindigkeit verliert, wird diese kinetische Energie, die sie verliert, eine andere Art von Energie, sei es potentielle Energie (wenn sie Höhe annimmt), Wärmeenergie (wenn es irgendeine Art von Reibung gibt, die bewirkt, dass sie sich erhitzt) usw.

Das gleiche Prinzip gilt für photovoltaische Solarenergie und Solarthermie. Die Atome der Teilchen, die die Sonne bilden, enthalten Energie, durch eine Nuklearreaktion wird diese Energie in Strahlung umgewandelt. Die Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, wird von photovoltaischen Solarzellen oder thermischen Kollektoren erfasst, die diese Energie in elektrische Energie (Photovoltaik) oder Wärme (Wärme) umwandeln.

Lassen Sie uns sehen, wie solche Schlussfolgerungen erreicht wurden.

Dampfmaschinen und der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Mit der Entwicklung der Dampfmaschine begann die Entwicklung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik. Dies ist das erste Mal, dass eine thermodynamische Umwandlung stattfindet, um Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln.

Dampfmaschine Die ersten Dampfmaschinen oder thermischen Maschinen wurden zum ersten Mal in römischer Zeit entwickelt. Die Römer bauten das erste Gerät, das mit Dampf funktionierte. Diese Dampfmaschine bestand aus einem hohlen Ballon, der von einem Drehpunkt getragen wurde, so dass er sich um ein Paar Stümpfe drehen konnte, von denen einer hohl war. Durch diesen Stumpf konnte Dampf injiziert werden, der durch zwei gebogene und tangential in entgegengesetzte Richtungen orientierte Rohre aus dem Ballon nach außen entwich und an den Enden des Durchmessers senkrecht zur Achse des Ballons angeordnet war. Wenn Dampf ausgestoßen wurde, reagierte der Ballon auf diese Kraft und drehte sich um seine Achse.

Von diesem Moment an wurde eine große Anzahl von Dampfmaschinen gebaut und für verschiedene Zwecke benutzt. Ein Einsatz von Dampfmaschinen war die Wasserpumpe zu bringen Wasser zu den Häusern und disribuirla für ihre Zimmer oder zu heben Gewichte durch einen Zylinder und einen Kolben. Nach und nach wurden Dampfmaschinen für eine größere Anzahl von Anwendungen verwendet, da ihre Effizienz zunahm.

Die Entwicklung und Verfeinerung fortgesetzt, bis der Dampf die übliche Maschine für Seeschifffahrt und Bodentransport (Lokomotiven) wurde, erreichen zu erreichen sehr hohe Drücke und beschleunigt erheblich Dampfkolben. Technologisch haben sich die Dampfmaschinen stark verbessert, obwohl wissenschaftlich zur Zeit keine vollständige Erklärung ihrer physischen Funktionsweise gegeben wurde.

Die Hauptidee von Dampfmaschinen besteht darin, die maximale Menge an Wärmeenergie in eine andere Art von Energie umzuwandeln: mechanische Arbeit. Im Moment gab es keine wissenschaftliche Erklärung, aber das Experimentieren im neunzehnten Jahrhundert beginnt, seine Bedeutung zu verstehen.

Rumford-Experimente

Rumford führt 1798 ein Experiment durch, das aus einem Bronzenzylinder bestand, der für einen scharfen Stahlbohrer verwendet wurde. Dieser Bohrer wurde gegen den Boden des Zylinders gedrückt und der Zylinder wurde um seine Achse mittels einer mit Pferden betriebenen Bohrmaschine gedreht. Der Zylinder und der Bohrer wurden in eine luftdichte Box gegeben, die bei Raumtemperatur mit Wasser gefüllt war. Nachdem das Gerät eine Zeit lang in Betrieb war, wurden der Zylinder und das Wasser erhitzt, und dieses Erhitzen wurde fortgesetzt, bis das Wasser kochte.

Dies impliziert, dass das Wasser ohne Feuer erhitzt wurde, nur durch die Arbeit (des Zylinders).

Entscheidende Studien, die Gleichwertigkeit zwischen mechanischer Arbeit und Wärme zu schaffen geführt wurden 1840 von James Joule in Großbritannien durchgeführt. Diese Studien wurden von Rumfords Arbeit inspiriert.

Joule-Experimente

James Prescott Joule

James Joule schlug eine Vorrichtung vor, die aus einer rotierenden Welle mit einer Reihe von Flügeln bestand, die sich zwischen vier Gruppen stationärer Flügel drehten. Der Zweck dieser Paddel bestand darin, die Flüssigkeit, die in dem freien Raum zwischen ihnen angeordnet war, umzurühren. Die Welle war durch ein System von Riemenscheiben und sehr dünnen Seilen mit einem Paar Massen von bekanntem Gewicht verbunden.

Joule-Experiment

Das Experiment bestand darin, das Seil zu wickeln, indem man die Massen auf den Rollen hielt, bis sie in einer bestimmten Höhe auf dem Boden lagen. Durch Absenken der Massen drehte sich die Welle, was wiederum eine Drehung der umlaufenden Arme durch Rühren der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit erzeugte. Dieser Vorgang wurde zwanzigmal wiederholt und die Endtemperatur der gerührten Flüssigkeit wurde gemessen. Die Wände des Containers waren luftdicht und aus einem sehr dicken Holz gefertigt, um eine adiabatische Wand zu simulieren.

Nach sorgfältiger Wiederholung abgeschlossen Joule dass die Menge an Wärme, die durch Reibung zwischen den Körpern erzeugt, ob flüssig oder fest, um die Menge an mechanischer Arbeit immer proportional ist, versorgt.

Ihre Experimente wurden in verschiedenen Substanzen wiederholt, tabellarisch die erhaltenen Werte der mechanischen Kraft (dargestellt durch den Fall einer Masse um eine bestimmte Entfernung), um die Temperatur eines bekannten Volumens der Substanz zu erhöhen.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Die von Joule erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß für Systeme, die von ihrem Äußeren isoliert sind und denen die gleiche Menge an mechanischer Energie auf verschiedene Arten zugeführt wird, die im System beobachtete Veränderung die gleiche ist. In diesem Experiment wird die Änderung durch die Variation der Systemtemperatur aufgezeichnet.

Es ist wichtig anzumerken, dass sich das System bei diesen Experimenten nicht bewegt, seine kinetische Energie ist Null, es bewegt sich nicht in Bezug auf das Erdniveau, seine potentielle Energie bleibt konstant und dennoch hat das System eine bestimmte Menge an Energie absorbiert. Wir nennen diese Energie die innere Energie des Systems. Diese Erfahrungen dienen dazu, diese Beobachtung auf jedes thermodynamische System auszudehnen und postulieren: Wenn wir zu irgendeinem isolierten System eine bestimmte Menge an mechanischer Energie W liefern, bewirkt dies nur eine Zunahme der inneren Energie des Systems U durch die Größe U in gewisser Weise was:

Gleichung 1

Diese Gleichheit, die darauf hinweist, dass Energie auf das isolierte System angewendet wird, stellt die Definition der inneren Energie U dar. Die Existenz dieser Größe für jedes System ist das Postulat, das als der erste Hauptsatz der Thermodynamik bekannt ist.

Wenn Joule oder ähnliche Experimente an anderen Systemen durchgeführt wurden, ohne das System vor seiner Umgebung zu isolieren, würden wir folgendes bemerken:

Gleichung 2

Das einfachste Beispiel ist das, was passiert, wenn man die gleiche Menge von Joules Substanz erhitzt, aber es direkt auf das Feuer legt, bis man die gleiche Temperaturänderung erreicht. Wenn man Vorsichtsmaßnahmen trifft, damit sich keine anderen Eigenschaften ändern, schließen wir die gleiche Energie von W in den Joule - Experimenten geliefert, wurde es jetzt durch Feuer geliefert, das heißt, eine Menge an Wärmeenergie Q. Es ist klar, dass die Energie, die in der obigen Gleichung fehlt, auf die Wärmeverluste zurückzuführen ist, die durch den Wärmestrom der System nach außen, aufgrund seiner Temperaturunterschiede.

Dann können wir schreiben:

Gleichung 3

Das heißt: die Energie wird in jedem Prozess konserviert, wenn die Wärme berücksichtigt wird, Verständnis durch Prozess der Mechanismus, durch den ein System seine Variablen oder thermodynamischen Eigenschaften ändert.

Zusammenfassend können wir sagen, dass die mathematische Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, die vorherige Gleichung, drei verwandte Ideen enthält:

  • Die Existenz einer internen Energiefunktion.
  • Das Prinzip der Erhaltung der Energie,
  • Die Definition von Wärme als Energie im Transit
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Referenzen

Geändert am: 25. September 2016